CN103066034B - 改进的散热器组件 - Google Patents

Abstract

一种散热器组件，其最小化了由沉降物导致的气路阻塞，该组件包括：限定所述散热器组件的两个尺寸的基座元件；连接到所述基座元件且从所述基座元件延伸的多个散热片；进口气流通道，空气穿过该通道行进以到达所述多个散热片；旁路区域，该旁路区域在沉降物穿过所述多个散热片的区域没有散热片；该散热器组件具有散热片的恒定间隔和旁路区域内的较大的间隔，或朝向散热器组件的中心部逐渐增加散热片的间隔。

Description

改进的散热器组件

本申请是申请日为2006年11月27日、国际申请号为PCT/US2006/045347、国家申请号为200680044931.5、发明名称为“改进的散热器组件”的专利申请的分案申请。

技术领域

本发明涉及一种运输车辆，其使用需要冷却系统的高功率电子装置（powerelectronics），且更特别地涉及一种用于减少气路堵塞的散热器组件。背景技术

机车和相关运输车辆装备有功率电子装置，其冷却系统使用具带散热片的散热器来帮助散热。这些散热器通过强制通风冷却。先前的散热器设计使用具有均匀间隔的散热片设置。散热片的数目和间隔和形状和尺寸确定了散热器的冷却性能。当前在机车中使用的典型的散热器是Aavid Thermalloy开发的。

在一些情况下，气流被引导以流动穿过散热器。这样的设计可能容易被例如柴油机烟雾、粉尘、泥土等气载沉降物阻塞。当阻塞时，散热器的效率显著降低，导致功率电子装置的较差的冷却，且导致由于这些电子装置可能经受过高的温度而增加故障率。

发明内容

本发明涉及改良的散热器，其用于减少散热器内的气路阻塞。为此，揭示了一种包括在冷却系统中的带散热片的散热器，所述冷却系统用于冷却机车上的功率电子装置，所述散热器使得空气穿过进口气流通道，以到达多个散热片，其中可减少所述多个散热片的气载沉降物阻塞，该散热器包括：至少一个旁路区域，该旁路区域在一区域没有散热片，在那里沉降物穿过所述多个散热片；转向引导部，其在特定位置处引导所述多个散热片之间的空气；所述多个散热片中至少一个散热片上的降低阻塞散热片结构；和/或大致在所述进口气流通道内的散热片。

在另一优选实施例中，揭示了一种散热器组件，其最小化了由沉降物导致的气路阻塞。该组件包括：限定所述散热器组件的两个尺寸的基座元件、连接到所述基座元件且从所述基座元件延伸的多个散热片。该组件进一步包括进口气流通道，空气穿过该通道行进以到达所述多个散热片。该组件包括至少一个旁路区域，该旁路区域在一区域没有散热片，在那里沉降物穿过所述多个散热片；转向引导部，其在特定位置处引导所述多个散热片之间的空气；所述多个散热片中至少一个散热片上的降低阻塞散热片结构；和/或大致在所述进口气流通道内的散热片。

附图说明

参考附图中所示的具体实施例，将对上面简要描述的本发明进行更详细的说明。理解这些附图仅描述了本发明的典型实施例，且不认为是对本发明范围的限制，本发明通过使用附图进行描述和解释附加特征和细节，其中：

图1是具有现有技术的带散热片的散热器的现有技术外壳的示意图；

图2是带散热片的散热器的典型实施例的横截面，示出了中心旁路区域；

图3是保持带散热片的散热器的外壳内的外壳引导叶片的典型实施例；

图4是外壳内的带散热片的散热器的典型实施例的顶视图，其中外壳的实心分隔部被去除；

图5是外壳内的带散热片的散热器的典型实施例的顶视图，其中散热器扩张到进口通道区域内；

图6是散热片和外壳之间的过渡密封件的详细视图；

图7示出了外壳中的散热器，其中外壳没有分隔壁；

图8示出了用于散热器散热片的典型引导边缘设计；

图9示出了各种散热片设置的典型实施例

图10示出了散热片如何被分隔以提供对于散热片的支撑的典型现有技术实施例；

图11A和11B是不同长度的散热片的典型实施例的视图；

图12是具有波状外形（contoured）的散热片的典型实施例的视图。

具体实施方式

参考附图，现在将描述本发明的典型实施例。然而，应注意，尽管本发明描述了各种发明或改进，其可被用在散热器上，这些改进也可以单独用在单独的应用中或各种组合中，包括所有的曾经的版本，可被一起使用。为此，此处所述的典型实施例不应被视为单独的发明，因为它们也可被一起使用。

图1示出了典型散热器，其是当前使用的用于冷却机车上的功率电子装置。该散热器10容纳在外壳12中，该外壳引导气流13穿过散热器10。散热器10通过设置在把散热器从进口气流通道19隔开的两个实心分隔壁27之间而被保持在适当位置。散热器10具有散热片14，气流被引导穿过该散热片。由于气流13前进通过进口气流通道或过道19穿过外壳，且在外壳12中经过弯曲部15，较重的沉降物颗粒被强制到弯曲部分的外侧，且撞击在散热器面18的中心部17上，在那里两个进口通道汇聚。通过散热器10的沉降物摄取实验，该现象已被进一步验证。一旦沉降物阻塞出现在散热器的中心部17，该阻塞则继续横穿散热器的面18发展。

图2描述了带散热片的散热器横截面的典型实施例，示出了中心旁路区域。通过在散热器10中建立中心旁路20，穿过散热器散热片14的中心的开口通道20被建立，其允许沉降物穿过给散热器10，而不沉淀在散热器10的入口面18上。为了弥补去除的散热器散热片14，在整体宽度、散热片高度、长度和散热片的数目方面对散热器10的整体尺寸进行了修改，以实现与原始散热器相比时的等效的热性能。这是通过散热片14的恒定间隔和旁路区域20内的较大的间隔或通过朝向散热器10的中心部17逐渐增加散热片14的间隔而实现的。本领域技术人员容易认识到，依赖于气流被引导的位置和预期的沉降物的最高浓度的沉积位置，旁路区域20不需要位于面18的中心部17内，而位于预期的沉降物最高浓度的位置。

图3描述了固定在保持带散热片的散热器的外壳内的外壳引导叶片的典型实施例。在外壳12内包括转向叶片25可进一步增强上述旁路配置的效率。这些叶片25可用于更准确地控制穿过旁路17转向的气流13的特定部分和量。转向叶片25引导较重的微粒到较大的开口，以延迟和/或避免阻塞的开始。尽管示出了两个叶片25，但可使用多个叶片25。

如上所述，本散热器10安装在两个实心分隔壁27内，该壁用于定位散热器10，以引导气流13。另外的包装散热器10的方法可用于增加散热器10的体积而不增加其总体尺寸和/或重量。增加体积允许散热片14被去除/移动，其由此允许增加散热片间隙，而没有明显的传热面积的相应损失。

图4和5示出了具有两个可供选择的方法的本设计。具体地，图4描述了外壳内带散热片的散热器的典型实施例的顶视图，其中外壳的实心分隔壁被去除。在该典型实施例中，分隔壁27被去除。在典型实施例中，外侧散热器散热片可制造的比内部散热片厚，以提供额外的结构支撑和/或改善冷却系统的热传递速度。

图6描述了散热散热片和外壳之间的过渡密封件的详细视图。壁27被去除，除了倾斜部分31设置在外壳12的端部，以在散热器10和组件12之间具有过渡密封件，所述组件12包括进口气流通道19、和焊接件33。而且，有肋的槽35设置在外壳12内，以便于容易地定位和使用密封件37，例如垫圈，优选地在一侧具有压力敏感粘合剂，尽管可使用任意密封材料。

散热器10构造有外部实心散热片14，其具有与倾斜部分31匹配的半径和适当的厚度，以安装到有肋的槽35内和沿散热片14的长度挤压垫圈37。通过这样的方式，散热器10取代了原来的分隔物27。

尽管揭示了过渡密封件和倾斜部分以在散热器和基座之间提供密封，本领域技术人员将容易地认识到，其它实施例可以实现同样的连接，其中散热器散热片14与基座热连接。例如，具有矩形形状的散热片14可具有延伸到焊接件的端部。类似地，可位于进口气流通道19内的散热片14还可与气流通道19热连接。

除了保持压降恒定以允许分配空气穿过多个平行散热器之外，还设置受控限制元件40。如图7所示，限制元件40安装到外壳组件12。本领域技术人员将认识到，如果不使用外壳，该元件可以是散热器的一部分。该元件40用于控制和/或调节由于散热片124的增加的间隔造成穿过散热器的压降。另外，对于外壳12，设置了进口41（在图7中未示出，但用箭头41中表示其位置）以便于检测散热器阻塞和/或散热器10的清洁。

在典型实施例中，多个散热器，多达36个，可用在机车上。横跨所有散热器的压降是均匀的。因此，如果新散热器代替机车上的现有散热器，横跨该新散热器的压降必须与跨其它散热器的现有压降是一致的。为此，限制元件40被确定尺寸，以确保跨替换的散热器的均匀压降。这样，一个散热器与其它相比可具有不同尺寸的限制元件40。这允许用于确保所有未来的散热器与例如机车的系统内的当前散热器向后兼容。

图5描述了外壳组件内的带散热片的散热器的典型实施例的顶视图，在该外壳组件中，散热器延伸进入外壳的进口通道区域中。在该实施例中，分隔壁27被去除，且鉴于进口空气通道19转变为可用的散热器体积，散热器10较大。

图8描述了用于散热器散热片的典型引导边缘设计。改进的引导边缘设计有助于降低散热器10的堵塞速度。在传统的散热器散热片设计中，引导引导边缘具有平坦表面，如图8（a）所示。在改进的设计中，引导边缘形成带尖的、带斜面的边缘，如图8（b）所示，或倒圆的边缘，如图8（c）所示。这些改进的引导边缘设计可用于散热片14的引导边缘和/或尾缘。在散热片不是实心或连续的例子中，例如下述分段的或扩充的散热片，这些改进的引导边缘设计还可用于每个散热片段的引导边缘和/或尾缘。

另一个思路是改善表面光洁度，以减少微粒粘附到散热片表面的倾向。为了实现不沾散热片，该散热片可被处理以具有非常好的表面光洁度，或者可以涂覆涂层以产生不沾表面。特富龙、含氟聚合物、PFA、PTFE和FEP是一些正好可使用的工业用常用涂层。

图9描述了各种散热片设置的典型实施例。如所示，揭示了用于散热片设置的四个不同的思路。在图9(a)中示出这些选项，扩充的散热片，和图9（b），直的散热片，是现有技术的概念。扩充的散热片具有延伸到气流通过区域的部分散热片，其由此可能导致湍流。湍流的区域可导致沉降物聚集或阻塞。图9（c）描述的配置是分段的散热片设计，其提供与扩张的散热片类似的湍流，而不提供突入气流的边缘。由于没有延伸到气流中的散热片部分，减少了阻塞的可能性。图9（d）描述了波纹散热片设计，其同样试图增加湍流和热传递，同时去除引导边缘，该引导边缘促使沉降物增加。

除了提供增强的抗阻塞性，散热片的边缘处理和各种散热片配置可执行或与诸如散热片几何（即厚度、高度等）和散热片间隔这样的其它关键参数组合，以调整和/或减少散热片的气流导致的噪音产生。例如，如图10进一步所示，跨骑安装散热片支撑系统典型地用于把每个散热片14安装到散热器10上的基板29。由于散热片的厚度通常较小，该支撑是通过散热片14沿相对方向的弯曲和然后把其支撑在散热器基座29上而完成的。但是，该技术增加了散热器10的总成本。通过使用这里讨论的技术，其中使用了较厚的散热片14且散热片14之间设置更大的间隔，该散热片14可制造的较厚，如图2所示，以具有更好的热传递速度并能支撑而没有复杂/高成本的支撑结构，该机构要求散热片沿相对方向的弯曲部分。

在传统的散热器中，散热片14用于冷却，外壳12的分隔壁27和盖子用于气流控制。在本发明中，散热片用于散热和气流控制。参考图5，散热片位于气流通道19中。图11A、11B和图12是变化长度的散热片设置的典型实施例。这些图示仅显示了散热器的散热片的一侧，例如沿图5的A-A线的散热器的一侧，其中散热片配置与图5所示的不同。具体地，在每个图中的表示为“进口”的区域是散热器上的散热片，其位于气流通道的一侧中。如所示，散热片位于通道19中，该区域内的散热片可具有不同的长度，以引导气流13的路径。本领域技术人员将容易认识到，这些图仅是示例性的，其中在其它不同长度散热片中也可使用此处揭示的本发明，以实现类似的结果。

如图11A所示，气流通道中的散热片在散热器的外侧边缘处较长，然后越靠近用作汽流出口的散热器散热片则散热片的长度越小。。出口散热片也改变长度，其中靠近进口散热片的散热片14比更远离进口散热片的散热片短。在另一典型实施例中，尽管未示出，出口散热片的具有恒定的长度，其中进口散热片的阶式长度把气流转向出口散热片。在另一典型实施例中，图11B所示，进口散热片被去除，且气流通道引导气流到不同长度散热片。

在另一典型实施例中，如图12所示，散热片具有较长的长度且是弯曲的，因此将上述的转向叶片结合到散热片中而不是成为壳体的一部分。不是每个散热片都需要叶片。例如，如所示，每隔一个散热片具有作为散热片一部分的叶片。该叶片具有不同的长度，且用于改善转向效率和气流的流动分配。尽管叶片示出在进口散热片上，在其它实施例中进口散热片也可不包括叶片。

当使用不同长度的散热片时，如上所述，可不再需要散热器的外壳。该外壳不再需要是因为散热器引导和控制气流。为此，在冷却系统内需要较少的零件，其导致成本节省。

虽然本发明在优选实施例中予以讨论，许多变化和修改将对于本领域技术人员是显而易见的。因此，本发明不限于特定的示出的实施例，但被认为落入所附的权利要求书的全部精神和范围内。

Claims (7)

1.一种散热器系统，其最小化了由沉降物导致的气路阻塞，该系统包括：

散热器组件(10)；

多个散热片(14)，连接到散热器组件(10)并且从散热器组件(10)延伸；

外壳(12)，配置为引导气流(13)绕过散热器(10)的侧部，然后在散热器的后部处穿过散热器的散热片(14)；

进口气流通道(19)，形成在外壳的壁(27)和带散热片的散热器的所述侧部之间，以允许空气在外壳内通过，其中散热器的所述侧部包括所述多个散热片中的至少一个，其布置为与进口气流通道直接接触；以及

过渡密封件，设置在散热器和进口气流通道之间，所述过渡密封件包括靠近进口气流通道的槽和带曲率半径的倾斜部分；

所述多个散热片包括在散热器的外部端部处的外部散热片，所述外部散热片的曲率半径匹配所述倾斜部分的曲率半径，且外部散热片具有安装到所述槽中的厚度。

2.如权利要求1所述的散热器系统，其中散热器的外部散热片具有厚度以接触槽的内边缘。

3.如权利要求1所述的散热器系统，其中所述多个散热片中的至少一个散热片与进口气流通道热连接。

4.如权利要求1所述的散热器系统，其中所述多个散热片包括在散热器的相对的外部端部处包括外部散热片，其中内部散热片在外部散热片之间，且其中外部散热片的厚度大于内部散热片的厚度。

5.一种在用于冷却功率电子装置的冷却系统中的散热器组件，该散热器组件使空气穿过进口气流通道以抵达散热器上的多个散热片，其减小由空气携带的沉降物导致的多个散热片的阻塞，散热器组件包括：

过渡密封件，设置在散热器和进口气流通道之间；以及

槽，靠近进口气流通道，以接收散热器的外部散热片；

限制元件，连接到散热器的外壳，以限定由于在多个散热片之间增加的间隔而导致的穿过散热片的压降；

其中外部散热片具有厚度以接触槽的内边缘；以及

其中多个散热片中的至少一个散热片与进口气流通道热连接；

所述过渡密封件被对齐为基本平行于散热器和进口气流通道。

6.如权利要求5所述的散热器组件，还包括槽中的密封构件。

7.如权利要求5所述的散热器组件，其中在多个散热片之间的间隔在散热片之间变化。